低值煤煅燒優(yōu)質(zhì)水泥熟料

1、低值煤煅燒優(yōu)質(zhì)水泥熟料引言    水泥回轉(zhuǎn)窯作為水泥熟料生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，其具燃料燃燒、氣固換熱、化學(xué)反應(yīng)、物料輸送等多重功能，然而燃料釋放能量的過程是實(shí)現(xiàn)其它功能的基礎(chǔ)。隨著國內(nèi)能源供應(yīng)的日益緊張，煤炭價(jià)格急速上漲，采用低熱值煤生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥熟料是降低水泥生產(chǎn)成本的必然趨勢(shì)。    利用劣質(zhì)煤（指無煙煤、貧煤及褐煤）代替優(yōu)質(zhì)煙煤煅燒水泥熟料，易引起燒成帶溫度低、飛沙料增多，熟料產(chǎn)、質(zhì)量下降。還可產(chǎn)生灰分沉積及窯內(nèi)液相量的過早出現(xiàn)，引起窯內(nèi)結(jié)圈，結(jié)蛋，影響窯內(nèi)通風(fēng)和窯的運(yùn)行，因此開發(fā)適應(yīng)水泥預(yù)分解窯使用低熱值煤的燃燒器是解決水泥窯生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料的重要措施。&#

2、160;   目前，新型干法生產(chǎn)工藝的煤燃燒器皆為三通道、四通道的噴煤管。筆者認(rèn)為，不能順利采用低質(zhì)煤的原因在于噴煤管的參數(shù)設(shè)計(jì)的不適應(yīng)與運(yùn)行參數(shù)不匹配。只要采用針對(duì)低品質(zhì)煤設(shè)計(jì)的噴煤管，選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)，低品質(zhì)煤才能到優(yōu)質(zhì)煤同樣的效果。新型干法水泥的低質(zhì)煤主要是指發(fā)熱量低于5000kcal/kg，揮發(fā)分并不很低(20)而灰分高(28)的煤。低揮發(fā)分煤一般是指灰分不高(25)，發(fā)熱量不低(5000 kcalkg)而揮發(fā)分較低，也可列入低質(zhì)煤中。對(duì)于這些劣質(zhì)煤只有提高其燃燒速率才能保證燒成帶火焰集中，溫度提高，事實(shí)上煤粉燃燒速率主要與煤粉中固定碳的燃燒速率有關(guān)，在回轉(zhuǎn)窯的燒成帶，固定

3、碳的燃燒處于擴(kuò)散燃燒區(qū)，此時(shí)燃燒速度不隨燃料性質(zhì)而改變和溫度的關(guān)系也不大，而和氣體流速緊密相連，因此開發(fā)大推力的新型煤粉燃燒器對(duì)劣質(zhì)煤十分有益。    1.燃燒器與熟料質(zhì)量的關(guān)系    優(yōu)質(zhì)水泥熟料來源于較高含量的硅酸鹽礦物，而硅酸鹽礦物含量的高低與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場(chǎng)密切相關(guān)。    水泥回轉(zhuǎn)窯既是一個(gè)燃燒設(shè)備、又是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器。生料通過高溫?zé)蓭?，吸收f-CaO，形成C3S，得到晶形發(fā)育良好的優(yōu)質(zhì)水泥熟料。窯內(nèi)燃料燃燒火焰的位置、形狀，直接決定熟料在高溫區(qū)的溫度、停留時(shí)間。熟料的微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系密切，圖1圖8為2500t/d熟料域

4、分解窯煅燒熟料的巖相照片。    由圖可以看出，大窯熟料巖相特點(diǎn)：燒成帶長度，燒成帶熱力不集中，物料通過燒成帶時(shí)間長，造成A礦、B礦尺寸明顯偏大，A礦晶體中包裹物多。進(jìn)入冷卻機(jī)冷卻速度慢，A礦容受液相熔蝕。28天抗壓強(qiáng)度57MPa。    圖11為某3200t/d熟料預(yù)分解窯，窯內(nèi)出現(xiàn)還原氣氛，出現(xiàn)白色亮點(diǎn)金屬鐵采用Pillard噴煤管，熟料28天抗壓強(qiáng)度僅52MPa。圖12為某2500t/d熟料巖相照片。由于受熱不均勻，A礦尺寸差異巨大。    因此，優(yōu)良性能的燃燒器(型式、結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)等)，保證燃料在窯內(nèi)燃燒時(shí)，與高溫二次空氣迅

5、速混合、燃燒，形成一個(gè)合理的溫度場(chǎng)及熱工制度，從而使回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)，并滿足環(huán)境保護(hù)規(guī)定的要求。       水泥窯用噴燃器從單風(fēng)道發(fā)展為四風(fēng)道甚至五風(fēng)道，在提高燃燒性能的同時(shí)，也帶來一系列的問題:首先，多股風(fēng)互相干擾，噴燃器出口阻力過大。其次，在保證低一次風(fēng)率的同時(shí)增加風(fēng)道，必然要提高風(fēng)速，導(dǎo)致射流核心速度衰減過快，火焰剛度不夠。多風(fēng)道導(dǎo)致噴燃器調(diào)節(jié)的多組合，操作過于靈活，難以掌握。而且，風(fēng)道出口縫隙小，加工困難，很難保證同軸度的要求。同時(shí)由于多通道燃燒器風(fēng)速和通道的增加，噴煤管頭部磨損嚴(yán)重，中部容易彎

6、曲，而風(fēng)量的下降造成火焰剛性下降，對(duì)尾部高溫度氣體的卷吸能力降低，從而降低劣質(zhì)煤的燃燒速率。    2.使用劣質(zhì)燃料的分析    劣質(zhì)燃料目前還沒有嚴(yán)格統(tǒng)一的定義，從水泥工業(yè)中燃料利用技術(shù)的發(fā)展歷程來看，燃料的品位是一個(gè)相對(duì)的概念，燃料的品位與燃料本身的特性及其工作環(huán)境密切相關(guān)，因此，以燃料的使用效果作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是合適的。本文中所謂的劣質(zhì)燃料，主要是針對(duì)新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯而言的。表1 水泥窯用煤的品質(zhì)要求Ad（%）Vdaf（%）Qnet.ad（KJ/）濕法回轉(zhuǎn)窯，懸浮預(yù)熱器窯、預(yù)分解窯<2818-30>20900立波爾窯<2518

7、-30>22990    根據(jù)表1中的對(duì)燃料品質(zhì)的要求，結(jié)合考慮燃料的使用效果，對(duì)于新型干法回轉(zhuǎn)窯而言，低品位燃料包括以下幾種:        (1)低揮發(fā)分燃料，如貧煤、無煙煤、石煤、煤研石、石油焦等。    (2)低發(fā)熱量燃料，如褐煤、石煤、煤矸石、油頁巖等。    (3)高灰分燃料，如石煤、煤矸石、煤泥、油頁巖等。    (4)高水分燃料，如褐煤、煤泥等。    (5)高硫分燃料，如石煤、石油焦等。    這些燃料在著火、穩(wěn)

8、燃、燃盡方面存在一系列的技術(shù)難題，容易導(dǎo)致水泥熟料品質(zhì)降低、產(chǎn)量下滑和能耗增加等，通常被認(rèn)為是不宜在新型干法回轉(zhuǎn)窯中采用的。因?yàn)榱淤|(zhì)燃料具有以下特點(diǎn)：    (1)著火性能下降。    圖13 著火溫度隨升溫速率變化趨勢(shì)圖    (2)燃燒穩(wěn)定性降低。    圖14    穩(wěn)燃指數(shù)隨升溫速率變化趨勢(shì)圖     (3)燃盡性能    （4）燃燒特性    TG-DTG曲線特征點(diǎn)可以比較直觀地反映煤在某個(gè)方面的燃燒特性，

9、但是還不能全面地反映整個(gè)著火、燃燒和燃盡過程，因此通過TG-DTG曲線特征點(diǎn)的有機(jī)組合，提出了一系列的綜合燃燒特性參數(shù)。    (1)可燃性指數(shù)         相大光認(rèn)為，煤在燃燒反應(yīng)初期為化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制，反應(yīng)速度主要與溫度有關(guān)，其燃燒動(dòng)力學(xué)方程可簡(jiǎn)化為:        式中，d W/dT為燃燒反應(yīng)速度;E為活化能;C為反應(yīng)常數(shù)。對(duì)上式求導(dǎo)并且T=Ti可得:        該式左邊第一項(xiàng)考慮了活化能的影響，第二項(xiàng)表示最大燃燒速度與著火時(shí)燃燒速度之比，第三

10、項(xiàng)為著火時(shí)燃燒速度曲線的斜率，這三項(xiàng)可以表征從著火到劇烈燃燒階段的變化趨勢(shì)。因此，可以認(rèn)為上式右邊項(xiàng)反應(yīng)了煤燃燒反應(yīng)前期的反應(yīng)能力，并將其定義為煤的可燃性指數(shù)。    （2）著火穩(wěn)燃特性指數(shù)Rw        (3)燃盡特性指數(shù)Cb        式中，f1為初始燃盡率，為著火點(diǎn)對(duì)應(yīng)的失重量與煤種可燃質(zhì)含量的比值，即溫度為Ti時(shí)的轉(zhuǎn)化率，反映了揮發(fā)分、著火特性的影響，值越大，煤的可燃性越好。f2為后期燃盡率，其表達(dá)式為0.98-f1，反映了煤中碳的燃盡性能，與含碳量、碳的存在形態(tài)等煤質(zhì)特性有關(guān)，

11、值越大，燃盡性能越好。因此，燃盡特性指數(shù)Cb綜合考慮了煤的著火和燃燒穩(wěn)定性等因素對(duì)燃盡的影響，值越大，煤燃盡性能越好。表2為不同煤種著火性能的綜合對(duì)比。表2 各種煤的燃燒性能比較煙煤褐煤貧煤無煙煤石煤著火溫度（）446350535570573最大燃燒速率溫度（）528418608650646燃盡時(shí)間（min）9.812.98.658.78.85可燃性指數(shù)2.873.971.91.530.64著火穩(wěn)燃指數(shù)2.643.292.262.112.04傅氏通用著火指數(shù)4.916.392.330.420.07初始燃盡率15.7723.5814.4714.126.85后期燃盡率83.8074.4285.34

12、83.9071.1燃盡特性指數(shù)140.71136.01（20/min）333.46（50/min）139.21132.32224.18    綜上所述，褐煤的著火和穩(wěn)燃性能在試驗(yàn)樣品中是最好的，但是后期燃盡性能較差。貧煤的著火、穩(wěn)燃和燃盡性能優(yōu)于無煙煤，但比煙煤差。無煙煤的著火和穩(wěn)燃性能比較差，燃盡也較困難。石煤的著火和穩(wěn)燃性能在樣品中最差，但是從燃盡指數(shù)來看，石煤表現(xiàn)出良好的燃盡性能。    劣質(zhì)煤由于受到燃燒速度的影響，碳粒不能及時(shí)燃盡而隨氣流進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的溫度，極易造成還原氣氛，從而降低生料的最低共熔點(diǎn)，造成結(jié)尾圈。物料中碳粒的存在會(huì)形成大量的游離氧

13、化鈣礦巢，從而降低熟料質(zhì)量。由于固定碳的燃燒速率緩慢，隨著物料向前移動(dòng)，物料之間極易粘結(jié)成大塊，從而造成窯內(nèi)的結(jié)球。因此提高固定碳粒的燃燒是煤粉燃燒器改進(jìn)的關(guān)鍵。    3.多通道燃燒器的改進(jìn)    了解多通道燃燒器的流場(chǎng)分布是改進(jìn)燃燒器的基礎(chǔ)，因此合適的流暢狀態(tài)和升溫速率對(duì)劣質(zhì)煤燃燒速率的提升特別有益。    1)直流風(fēng)速度變化對(duì)燃燒器流場(chǎng)的影響    直流風(fēng)的速度一般為204-350m/s，當(dāng)直流風(fēng)的速度較大時(shí)(圖16)，由于其強(qiáng)烈的速差射流作用，使燃燒器的軸線位置形成較大的負(fù)壓，造成旋流風(fēng)與中心風(fēng)形成的回流區(qū)

14、消失，同時(shí)回流區(qū)延軸向延伸。而當(dāng)直流風(fēng)速度減小時(shí)(圖17)其與旋流風(fēng)的速度差減小，使燃燒器頭部形成的負(fù)壓減小，而此時(shí)，由于旋流風(fēng)與中心風(fēng)速度差很大，因而形成壓力梯度更大的負(fù)壓區(qū)。    2)旋流風(fēng)速度對(duì)燃燒器氣相流動(dòng)的影響    當(dāng)旋流風(fēng)速度增大時(shí)，切向速度(動(dòng)量)與軸向速度(動(dòng)量)線性增大，因此，此時(shí)的旋流強(qiáng)度僅與其切向氣流的旋轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。而由于切向速度增加其旋轉(zhuǎn)半徑增大，因而其旋流強(qiáng)度增大，圖中顯示為回流區(qū)2, 3沿切向外移    3)旋流風(fēng)角度對(duì)燃燒器氣相流動(dòng)的影響     當(dāng)旋流角增大時(shí)

15、，其切向速度減小，軸向速度增大，因而旋流強(qiáng)度增大。對(duì)比旋流角分別為25°， 30°(圖20、圖21時(shí)的速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn):旋流角增大時(shí)，其軸向速度衰減減漫，回流區(qū)1, 2速度梯度減小，且沿軸線前移。    因此，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中可以通過控制直流風(fēng)和旋流風(fēng)來調(diào)整回流區(qū)1, 2的形狀和大小，使燃燒帶溫度集中的同時(shí)又不形成局部高溫，同時(shí)，回流區(qū)1不宜過大，以避免煤粉火焰直接接觸窯壁，有利于窯皮的形成。通過控制中心風(fēng)和旋流風(fēng)來調(diào)整回流區(qū)3的形狀和大小，以滿足穩(wěn)定生產(chǎn)和劣質(zhì)煤的燃燒。具體的措施應(yīng)視具體清況而定，一般清況下，為滿足新型干法水泥生產(chǎn)工藝快燒決冷的要求

16、，應(yīng)方查當(dāng)增大旋流風(fēng)角度，使煤粉燃燒溫度集中，為燃用劣質(zhì)煤，應(yīng)在增強(qiáng)旋流風(fēng)速、旋流角的同時(shí)，適當(dāng)減小中心風(fēng)速，以增強(qiáng)高溫?zé)煔獾幕亓?，提高煤粉溫度，為滿足穩(wěn)定生產(chǎn)則應(yīng)控制中心風(fēng)，以避免燃燒器的高溫?fù)p壞，而對(duì)于降低NOx的問題，則可采用與劣質(zhì)煤燃燒的類似手段，增加高溫?zé)煔獾幕亓?，以減小O2的濃度，從而減少NOx的生成量。    圖22是PYRO-JET燃燒器外風(fēng)速度為150,200,250,300,350 m/、時(shí)卷吸率隨射程變化規(guī)律，結(jié)果表明:卷吸率總是隨著外風(fēng)速度的提高而提高。但是，當(dāng)外風(fēng)速度從300 m/ s升高到350 m/ s時(shí)，其卷吸率整體變化較小。因此，本文認(rèn)為該

17、類燃燒器的外風(fēng)操作速度宜控制在300 m/ s左右時(shí)為最佳。    當(dāng)燃燒無煙煤時(shí)，煤粉自噴煤器噴出后，著火點(diǎn)的位置明顯偏后，黑火頭長度近似是優(yōu)質(zhì)煙煤的兩倍多(3.3m左右)，而貧煤的著火位置與煙煤比較接近(1.lm左右)。隨著煤質(zhì)變差，燃燒火焰核心區(qū)域(煙氣溫度高于1800區(qū)域)的軸向長度明顯加人，如無煙煤的燃燒火焰核心區(qū)的軸向長度約為35d，而燃燒煙煤時(shí)約為12d，貧煤與煙煤在火焰核心區(qū)內(nèi)的溫度分布也存在明顯的差異( 20d)?；鹧婧诵膮^(qū)拉長，表明火焰的熱力強(qiáng)度降低。煤質(zhì)變差時(shí)，煙氣的初始升溫速率較小，如燃燒無煙煤時(shí)，煙氣溫度從500660升溫到1750所需窯長約為13

18、d，而煙煤最多不會(huì)超過2. 5d;燃燒后期，無煙煤的煙氣溫度變化仍不斷地進(jìn)行，而煙煤的溫度變化就相對(duì)減弱?？傊?，無煙煤的燃燒過程相對(duì)比較平緩。    在煤粉燃燒器出口附近，由于運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，使得旋渦的軸線不斷來回波動(dòng)，回流區(qū)域難于掌握，為了確保測(cè)試精度，本實(shí)驗(yàn)采用了流場(chǎng)顯示與熱線檢測(cè)相結(jié)合的研究方法，即用流場(chǎng)指示邊界，再測(cè)定相應(yīng)的速度值，以測(cè)出的負(fù)速度及回流區(qū)域積分得回流量，并以理論模擬結(jié)果作為參考，其回流區(qū)域和回流量如圖23所示，回流量是回流區(qū)中的回流體積流量與一次風(fēng)體積流量之比。由圖可見，回流區(qū)的長度大約為0.6d，與一般燃燒器的黑火頭長度基本相當(dāng)，由此可以粗略地看出

19、回流區(qū)在煤粉點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定中所起的作用;回流量的最大體積流量約為一次風(fēng)量的4.5%左右，一般來說回流量的大小是煤粉燃燒器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的參數(shù)，尤其是用于燃燒劣質(zhì)煤的煤粉燃燒器該點(diǎn)更為重要，回流量太小，影響燃燒的穩(wěn)定性，回流量太大，易于燒壞噴嘴及產(chǎn)生不必要的動(dòng)壓損失，甚至根本不能用。    分析新型的大推力噴煤管，它具有適應(yīng)劣質(zhì)煤的明顯特征：采用了環(huán)形通道射流，其射流厚度明顯增加，火焰剛度增加，使火焰的熱流分布和熟料煅燒要求達(dá)到較好的匹配，有利于提高熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量；全部的一次凈風(fēng)作為燃燒器外套管冷卻風(fēng)量使之得到充分冷卻，減緩了因過熱變形導(dǎo)致澆注料應(yīng)力增加速度，減緩了損壞

20、的速度；采用了可調(diào)式旋流器；取消了傳統(tǒng)燃燒器旋流風(fēng)和直流風(fēng)調(diào)節(jié)閥，不改變一次風(fēng)量的同時(shí)，可調(diào)節(jié)旋流強(qiáng)度和出口動(dòng)量，降低一次風(fēng)用量，可明顯節(jié)約一次風(fēng)機(jī)電耗；由于增加了環(huán)形射流厚度，新型雙通道燃燒器可延緩煤粉和二次風(fēng)混合速率，降低火焰峰值溫度和調(diào)節(jié)了火焰高溫中心的位置，有效地延長燒成帶耐火磚壽命。    劣質(zhì)煤的燃燒是水泥工業(yè)一個(gè)長期研究的課題。其中低揮發(fā)分煤由于其揮發(fā)分少，著火點(diǎn)高，燃燼時(shí)間長，給燃用劣質(zhì)煤造成了很大的困難。在使用低揮發(fā)分劣質(zhì)煤燃料時(shí)，火焰的氣體流場(chǎng)是非常重要的，因?yàn)榈蛽]發(fā)分燃料一般具有較高的著火點(diǎn)，揮發(fā)分燃燒所產(chǎn)生的熱量不足以使炭粒加熱到著火溫度而使燃燒持續(xù)

21、進(jìn)行。確保低揮發(fā)分煤持續(xù)點(diǎn)燃的最簡(jiǎn)便方法是增加火焰內(nèi)循環(huán)量，使下游熾熱的燃燒產(chǎn)物回流到火焰根部以提高該處一次風(fēng)和煤粉溫度。    4采用富氧燃燒        和傳統(tǒng)的燃燒相比，富氧燃燒由于氧濃度的提高，燃燒特性有了很大改變，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1.降低著火熱和著火溫度，有利于燃料的點(diǎn)燃，為煤粉富氧直接點(diǎn)火創(chuàng)造了條件;2.加快燃燒速率，提高燃燒溫度場(chǎng)，促進(jìn)燃料燃燒完全;3.降低過量空氣系數(shù)，減少煙氣排放量和排煙損失;4.提高爐膛溫度，強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱;5.改進(jìn)燃燒，特別是對(duì)低發(fā)熱值的燃料。        富氧燃燒作為一種新型的燃燒方式己經(jīng)越來越受到人們的重視。對(duì)于煤粉燃燒，采用富氧燃燒方式有提高能源利用率:采用富氧氣